Mensch und Fahrzeug

2.7.3 Hybrid-Antrieb

Der nächste Schritt auf dem Wege zur Verbrauchsverbesserung ist das Einschalten einer elektrischen Maschine, Bild 2-29. Diese sitzt am besten auf der Kurbelwelle, obwohl auch Vorschläge bekannt sind, bei denen die elektrische Maschine über Keiloder Zahnriemen auf die Kurbelwelle einwirkt. Sie soll zwischen 0 und 1000 U/min mindestens 100 Nm haben, also kurzzeitig 10 kW wandeln können.(Besser 150 Nm bis 2500 U/min, das sind 37 kW und bei kurzzeitig möglicher Überlast doppelt so viel.) Der Verbrennungsmotor wird nicht vor dem Anfahren gestartet, sondern beim Anfahren mitgeschleppt. (Eine Dekompressionseinrichtung wäre wünschenswert.) Hat der Verbrennungsmotor z. B. ein Schleppmoment von 17 Nm (ο Bild 2-18), dann bleiben für die Beschleunigung des Fahrzeugs noch 100 – 17 = 83 Nm oder im 1. Gang (i = 0.022) eine Zugkraft von Z = M/i = 3800 N. (Eine Dekompressionseinrichtung würde auch die Drehmomentschwankung beseitigen.) Die zu beschleunigende Masse (einschließlich der rotierenden) beträgt z. B. 1500 kg, die Beschleunigung also rund 2.5 m/s2. Genug um das Fahrzeug in weniger als 1 s auf 2.2 m/s zu beschleunigen, was einer Drehzahl von rund 1000 U/min entspricht. Dort springt der Motor sofort an und beschleunigt das Fahrzeug normal. Die raschen Veränderungen des Antriebsmoments müssen elektronisch beseitigt werden.

Wenn das Getriebe auf keine Kupplung angewiesen ist (z. B. ein CVT-Getriebe), kann die Kupplung K ganz entfallen oder als einfache Klauenkupplung ausgeführt werden, um einen Motorleerlauf zu ermöglichen. Im Normalfall wird man wahrscheinlich doch den Motor vor Beginn der Fahrt starten und auch nicht abstellen, bevor eine entsprechende Motortemperatur erreicht ist. Angefahren wird dann mit der Kupplung K. Das Fahrzeug wird mit Durchschalten der Gänge normal betrieben, wobei jedoch die Motorleistung im Bereich der besten Wirkungsgrade gehalten wird; also in Volllastnähe. Die Überschussleistung wird von SEM in elektrische Leistung umgesetzt und in der Batterie gespeichert. Auch bei der Fahrzeugverzögerung speichert SEM Energie in die Batterie. Andererseits kann SEM aber auch ein zusätzliches Antriebsmoment liefern. Beispielsweise für einen Überholvorgang, bei dem dann nicht zurückgeschaltet werden muss. Für diesen Einsatzfall sind Kondensator-Batterien (Ultracup) besonders geeignet, weil sie kurzzeitig hohe Leistung bei gutem Wirkungsgrad liefern und aufnehmen können, ο siehe Kapitel 2.10.

Wie schon erwähnt werden lange Gänge abgelehnt, weil beim Zurückschalten statt der erwünschten größeren Zugkraft zunächst sich eine kleinere einstellt. der Motor muss sich selbst auf ein höheres Drehzahlniveau beschleunigen, was auch bei unter Last schaltenden Getrieben einen Leistungseinbruch zur Folge hat. In Bild 2-29a sind die erforderlichen Energiebeträge aufgetragen um diesen Leistungsbedarf zu kompensieren. Ist z.B. eine Drehmasse von 0.2 kgm² in 0.2 s beim Rückschalten zu beschleunigen, dann geben die Zahlen die erforderliche Leistung an (P = 0.2 ex / 0.2). Um bei 144 km/h vom 6. in den 5. Gang zu schalten, sind 16 kW erforderlich. Soll bei 108 km/h vom 4. in den 3. Gang geschaltet werden, dann sind es 56 kW. Allerdings nur für 0.2 s, was eine erhebliche Überlast erlaubt. Aber auch wenn die Leistung der elektrischen Maschine nicht ganz reicht, tritt doch eine wesentlich kleiner Zugkraftminderung auf.

Bild 2-29a Energiebeträge beim Schalten unter Last.

2.7.3.1 Serien-Hybrid

Der Serienoder Voll-Hybrid, Bild 2-30, trennt die elektrische Maschine SEM von der Kurbelwelle durch eine Kupplung K1. Ist diese offen, dann kann rein elektrisch gefahren werden. Der Rückwärtsgang entfällt, weil SEM in allen vier Quadranten arbeitet. Auch die Kupplung K2 kann entfallen, wenn das Getriebe sie nicht erfordert (z. B. ein CVT-Getriebe).

Das Fahrzeug fährt rein elektrisch an. Bei etwa 1000 U/min schließt K1 (SEM kann den Einschaltruck verbessern) und der Verbrennungsmotor nimmt seinen normalen Dienst auf.

Vorübergehend (z. B. für einen Überholvorgang) kann SEM ein zusätzliches Moment liefern, was den erwünschten „Fahrspaß“ bringt: der Fahrer hat durch einen kleinen Druck auf das Gaspedal jederzeit sehr viel mehr Leistung verfügbar. Bei kleiner Last oder im antriebslosen Zustand öffnet K1. Der Motor bleibt sofort stehen, weil er ohne Schwungrad nicht laufen kann. SEM bringt die kleine Last auf (je nach Zustand der Batterie) oder bremst die Batterie aufladend. Wird mehr Leistung gefordert, gibt der Fahrer Gas. Der Verbrennungsmotor übernimmt den Antrieb, wobei SEM die Batterie laden kann, wenn erforderlich und ein Leistungsüberschuss vorhanden ist. Schaltpush ist wie beschrieben möglich.

Volkswagen hat 1974 wohl den ersten Hybrid-Antrieb in Form eines Taxis für New York vorgestellt, Bild 2-30b >2.2 . (Es ist eine Definitionsfrage, was als Hybridantrieb gelten kann.)

Im üblichen Sprachgebrauch liegt dann ein Hybridantrieb vor, wenn das Fahrzeug sowohl von einem Verbrennungsmotor als auch von einem Elektromotor angetrieben werden kann. Porsche´s Mixt-Antrieb wurde zwar auch mit einer Batterie ausgerüstet, womit rein elektrisches Fahren möglich war. Aber es war eben nur elektrisches Fahren möglich. Es war ein Elektroantrieb mit einem Verbrennungsmotor zum Aufladen der Batterie.

Bei der New Yorker Taxilösung war die elektrische Maschine durch einen Zahnradeingriff ins Getriebe permanent mit dem Achsantrieb verbunden. Bei geöffneter Kupplung konnte rein elektrisch gefahren werden. Durch Schließen der Kupplung wurde der Verbrennungsmotor gestartet und konventionell betrieben. Die elektrische Maschine konnte jederzeit zusätzlichen Schub liefern oder Bremsenergie nutzen.

Bild 2-30c zeigt das als Einwellenhybrid 2 bezeichnete Schema. Bei geöffneter Kupplung kann rein elektrisch gefahren werden. EM2 kann auch eine Zugkraftunterbrechung beim Schalten mit Zugkraftunterbrechung im Getriebe abfangen. Beim Hochschalten nutz EM1 die kinetische Energie des verzögerten Verbrennungsmotors. Nachteilig ist, dass EM2 das Getriebe nicht nutzen kann und daher über ein großes Drehmoment verfügen muss.

Bild 2-30c Einwellenhybrid 2

1989 hat Volkswagen einen Voll-Hybridantrieb im Golf in einem Großversuch in Zürich betrieben (Elektrische Maschine anstelle Schwungrad, Lichtmaschine und Starter). Die elektrische Leistung war entsprechend dem damaligen Stand der Entwicklung von Elektromotor und Batterie zu klein (6 kW), die Verbrauchseinsparung nicht überzeugend. Als Vorteil blieb die Möglichkeit des rein elektrischen Betriebes. Dieser wäre aber nur wirklich hervorgetreten, wenn damit Straßen befahrbar geworden wären, die für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor gesperrt sind. Das ist bis heute so: Hybridfahrzeuge wären sofort in großen Stückzahlen verkaufbar, wenn man damit dort fahren könnte, wo für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor gesperrt sind. Mit dem Fortschreiten der Abgasvorschriften ist diese Maßnahme aber nicht zwingend erforderlich. Heute steigt das Angebot an Fahrzeugen mit Hybridantrieb ständig an,

Beispiel 4.

Bild 2-31 zeigt den Vergleich eines Fahrzeugs mit 74 kW-Motor und 55 kW Hybridantriebs. Dafür kann ein kleinerer Motor und eine lange Übersetzung gewählt werden, weil für vorübergehende Mehrleistung (Überholen, kurze Steigung) elektrische Leistung eingesetzt werden kann. Ein kritischer Zustand könnte dann entstehen, wenn der Fahrer im Vertrauen auf zusätzliche Leistung einen Überholvorgang beginnt, und dabei die Leistung infolge leerer Batterie nicht zur Verfügung steht. Eine entsprechende Warnung muss daher vorgesehen werden (low battery).

Bild 2-32 Wirkungsgrad der elektrischen Maschine von Bild 2-31 im Motor-(oben) und GeneratorBetrieb.

In den Bildern 2-32 bis 2-33b ist der Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen angegeben, die Leistungsfähigkeit verschiedener Batterien und der Energiebedarf für das Beschleunigen von der Geschwindigkeit v1 auf v2. Für das Beschleunigen auf 50 km/h aus dem Stand sind z. B. für eine Fahrzeugmasse von 1400 kg 135 kWs erforderlich, für ein Überholmanöver in dem von v1 = 70 km/h auf v2 = 90 km/h beschleunigt wird, 173 kWs, für eines mit 120 auf 140 km/h 280 kWs. Für das Hinauffahren aus einer 10 m tiefen Kellergarage sind 140 kWs erforderlich.

Beim Bremsen fällt viel mehr Energie an: wird z. B. von 140 km/h bis zum Stillstand gebremst, dann fallen 1060 kWs an. Geschieht das mit 2 m/s2, bei einer Bremsleistung von 78 kW. Hat die elektrische Maschine einen Wirkungsgrad von 80 %, dann muss die Batterie 850 kWs bei 62.5 kW aufnehmen. Es wäre ein Ultracap von 40 kg erforderlich, um diesen Strom aufnehmen zu können (ο vgl. Bild 2-33a). Andererseits wäre diese Batterie in der Lage, das Fahrzeug viermal aus dem Stand auf 50 km/h zu beschleunigen, ohne den Rückgewinn aus den dazwischen liegenden Bremsmanövern zu rechnen.